-
DANMARKS LUMSKE
LER
I undergrunden under Danmark fi ndes plastisk ler – en jordtype,
som har udfordret ingeniører i årtier. Nu skal et nyt
forskningsprojekt gøre os klogere på lerets opførsel,
så skader på bygninger og anlæg bedre kan undgås i
fremtiden.
ForfatterenThomas Rye Simonsen er uddannet civilingeniør i
Teknisk Geologi fra Aarhus Universitet i 2008 og har siden arbejdet
hos rådgivningsfi rmaet Geo, som er specialister i geoteknik. I
perioden 2015 – 2018 laver han en erhvervs-ph.d. i samarbejde med
Geo og Aarhus Universitet. Her forsker han i, hvordan plastisk ler
opfører sig under vores bygninger. Projektet skal gøre ingeniører
og geotek-nikere i stand til bedre at forudsige lerets opførsel i
forbindelse med byggeri og danne grundlag for nye og mere præcise
beregningsmetoder med henblik på optimering af fremtidige
funderings-løsninger for byggerier på plastisk ler.Institut for
Ingeniørviden-skab, Aarhus [email protected]
De fl este af os opfatter det som en selvfølge, at vores
bygninger bliver stående der, hvor de er
opført og ikke pludselig braser sam-men eller slår store revner
på grund af bevægelser i undergrunden. Det skyldes, at vi i Danmark
rent natur-geografi sk lever i et fredsommeligt område. Vi oplever
ikke markante jordskælv eller vulkanudbrud, vi har ingen store fl
oder, som kan for-årsage voldsomme oversvømmel-ser, og grundet
vores relativt fl ade
terræn har vi ingen altødelæggende jordskred. Desuden har vi
dygtige ingeniører og lang tradition for god byggeskik, så det er
sjældent, at vi ser alvorlige skader på bygninger, broer og veje,
som skyldes under-grunden – heldigvis.
Men den danske undergrund kan nu sagtens byde ingeniørerne på
udfordringer. I 1940’erne måtte ingeniørerne således se måbende
til, da Skive Museum hævede sig 10 centimeter i løbet af få år
efter op-
førelsen. Og for nylig har Banedan-mark betalt over 100
millioner kr. for at redde den gamle Lillebæltsbro, som er sunket
75 centimeter siden 1935. Årsagen til problemerne for disse
bygningsværker – og mange andre i Danmark – er en særlig jord-type,
som er vidt udbredt i den dan-ske undergrund, nemlig plastisk ler.
Plastisk ler er nok Danmarks mest komplicerede jordtype, som sætter
sit umiskendelige præg på landska-bet mange steder og sætter grå
hår i hovedet på bygningsingeniører.
14 A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
-
Ler med uheldige egenskaberPlastisk ler minder mest af alt om en
halvhård modellervoks eller en lidt stivere udgave af
juledekora-tionsler. At leret er “plastisk” har intet at gøre med
materialet plastik, men refererer til dets materiale-egenskaber.
Det betyder, at leret er meget deformerbart, og den egen-skab
stammer fra lerets evne til at indeholde rigtig meget vand.
I byggetekniske sammenhænge har plastisk ler mange uheldige
egen-
skaber. For eksempel vil leret, selv-om det virker temmelig
stift, kunne give anledning til store sætninger som følge af
sammentrykning fra bygningslast. Sætninger, som fi nder sted i takt
med, at vandet i leret langsomt presses ud ved belastning. Ydermere
har leret den uheldige egenskab, at det hæver sig, hvis det bliver
befriet for vægt – for eksempel hvis man fjerner en stor jordmængde
i forbindelse med en kælderudgrav-ning. Kræfterne i leret er enorme
og kan forårsage alvorlige skader
på en bygning, hvis bygningen vejer mindre end den jordmængde,
man fjerner. Problemerne opstår, fordi det plas tiske ler besidder,
hvad geotek-nikerne kalder et højt kvældetryk. Kvældetryk er et
udtryk for den kraft, som leret kan udvide sig med.
Ikke nok med, at leret kan hæve eller sætte sig ved af- og
belastning – leret kan også give anledning til store skader på
bygninger, hvis det får lov til at tørre ud. Igen er det lerets
store vandindhold, der er
Kvældetryk
En lerprøve samt et apparat til måling af kvældetryk.
Kvældetryk er et udtryk for den kraft, som leret kan udvide sig
med. Kvældetrykket måles i laboratoriet og svarer til den vægt, der
skal på-føres leret, så det ikke udvider sig. Lerprøven, der måles
på, er cirka 6 cm i diameter og 2 cm i højden og monteres i en
stålring i et apparat som vist på fotoet. Når der tilsættes vand
til prøven, vil lermineralerne indbygge vandmolekylerne i deres
struktur, og lerprøven vil derfor ud-vide sig. Apparatet måler den
kraft, som leret udvider sig med, og det er lerets kvældetryk.
Når kvældetrykket er bestemt i laboratoriet, ved ingeniørerne,
hvilken potentiel kraft der kan udløses i leret under en kommen-de
bygning. Hvis kvældetrykket
dermed hæve bygningen ovenover. På baggrund af denne viden kan
ingeniørerne designe en funde-ringsløsning, der er i stand til at
modstå disse hævninger.
er højere end den last, som byg-ningen påfører jorden – det kan
typisk være, hvis der er foretaget en kælderudgravning – er der
stor risiko for, at leret vil udvide sig og
Årsager til 713 revneskadede ejendomme i Danmark siden 1985.
Kilde: Geo's arkiv.
Plastisk ler kan få huse til at slå store revner, hvis det
tørrer ud, for eksempel som følge af træer i nærheden. Foto:
Geo
Skred i plastisk ler ved Lillebælt, Frederica. Foto:
Colourbox.
Udtørring af ler29,6 %
Fundering på fyldjord eller organiskholdig jord
52,2 %
Andre årsager18,2 %
15A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
-
synderen, for når vandet forsvinder fra leret – f.eks. fordi det
suges ud af leret af trærødder – medfører det en markant reducering
af volumen.
Sætter sit præg på bygninger og landskabUdtørring af ler under
huse er en hyppig skadevolder i Danmark. Geo har udført over 700
undersøgelser af
revneskadede ejendomme de sene-ste mere end 30 år. Dataene
afslører, at næsten 1/3 af alle revneskadede ejendomme skyldes
udtørring af ler under husets fundament. Typisk opstår skaderne,
hvis der står store træer nær ved bygningen. Træernes rødder kan
fjerne store mængder vand fra leret og være medvirkende til skader
på ejendomme.
Det er selvfølgelig ikke kun huse, der påvirkes af det plastiske
lers bevæ-gelser. For cirka 10 år siden var det for eksempel nær
gået galt syd for Vejle, hvor en banedæmning udlagt over plastisk
ler pludselig skred sam-men. Heldigvis blev skredet opdaget, inden
der kørte tog på skinnerne.
Faktisk er plastisk ler så ustabilt,
1
2
3
0
mm
Grus
SandSilt
LerUsynligt pådenne skala
KornstørrelseI sand er de enkelte korn mellem 0,06 og 2 mm i
diameter. Derfor kan man tydeligt fornemme kornene i en håndfuld
sand fra stranden eller fra sandkassen, og man kan også se dem med
det blotte øje. Er kornene større end 2 mm defi neres materialet
som grus eller sten. Er kornene mel-lem 0,06 mm og 0,002 mm, er der
tale om jordarten silt. I en silt kan det være vanskeligt at skelne
de enkelte korn med det blotte øje, og våd silt kan nemt forveksles
med ler. Tør silt derimod, vil i hånden føles som fi n-malet mel.
Når kornstørrelsen bliver mindre end to tusindedele millimeter
(eller 0,002 mm), taler man om ler. Ler er således den mest fi
nkornede jordart, der fi ndes, og i en ler er det selvsagt helt
umuligt at skelne de enkelte “korn” med det blotte øje.
For cirka 10 år siden skred en cirka 100 år gammel banedæmning
syd for Vejle udlagt over plastisk ler pludselig sammen. Foto:
Torben Thorsen
Blottet overfl ade af plastisk ler. Bemærk volumenreduktionen,
når leret tørrer ud, og de medfølgende store sprækker.Foto: Thomas
Rye Simonsen
Netop fordi ler består af mikrosko-piske partikler har ler
grundlæg-gende forskellige egenskaber i forhold til sand- eller
grusjord. I sand og grus er sammenhængs-kraften og dermed jordens
styrke primært styret af kontakttryk-kene (eller friktionen) mellem
de
enkelte korn, hvorimod sammen-hængskraften i en lerjord er af
kemisk eller molekylær art – også kaldet kohæsion. Ingeniører og
geoteknikere omtaler derfor typisk sand- og grusjord som
friktions-jord, mens lerjord betegnes kohæ-sionsjord.
16 A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
-
at selv skråninger med hældninger på helt ned til 5-6° er i
risiko for at skride, hvis de rette omstændighe-der er tilstede
(for eksempel massiv nedbør). Flere steder kan man i dag ved
selvsyn se aktive skred i plastisk ler – som i skoven umiddelbart
øst for den gamle Lillebæltsbro, hvor der jævnligt sker markante
skred i skrå-ningen ned mod Lillebælt.
Ler og lerjord – hvad er det?Når geologer og geoteknikere
snakker om materialer som ler eller sand, er de defi neret ved
deres kornstørrelse, altså diameteren af de enkelte korn i
materialet. Ler er den mest fi nkornede af alle jordarter og er
defi neret ved at have kornstørrelser mindre end 0,002 mm.
Når man snakker om lerjord er det vigtigt at vide, at der fi
ndes mange forskellige slags. Og faktisk inde-holder de hyppigst
forekommende typer lerjord også meget andet end ler, for eksempel
silt, sand og grus. Indholdet af ler og andre kornstør-relser
afhænger helt af, hvilke geo-logiske processer der har medvirket
til at danne leret. Eksempelvis vil
LermineralerDer fi ndes en række forskellige lermineraler. To af
de mest almin-delig kendte er kaolinit og smectit. De har
forskellig geologisk op-rindelse og kemisk opbygning og dermed også
vidt forskellige egen-skaber. Smectit kan blandt andet stamme fra
omdannet vulkansk aske, mens kaolinit stammer fra kemisk
nedbrydning af feldspat, som er en af hovedbestanddelene i
granit.
Lermineraler er kendetegnet ved deres pladeformede opbygning af
vekslende lag af aluminium (Al) og silika (Si) og inddeles typisk
efter den måde, hvorpå lagene ordner sig på. Overordnet klassifi
ceres ler-mineraler som enten 1:1 eller 1:2 lermineraler.
1:1 lermineralerne som kaolinit består af stakke af fl ager,
hvor hver
Elektromiskopi-fotos af kaolinit (venstre) og smectit (højre).
Bemærk forskellen i opbygningen, som gør, at smectit har et meget
større overfl adeareal end kaolinit. Fotos: Wilson et al. 2014.
fl age består af et Al-lag og et Si-lag. Imellem hver fl age er
der en stærk hydrogenbinding. Denne opbygning gør leret relativt
inaktivt, idet der ikke umiddelbart kan indbygges andre ioner
imellem fl agerne. Man siger, at kaolinit har en lav
ionbyt-ningskapacitet. Overfl adearealet af mineralet er ligeledes
relativt beskedent i forhold til andre lermi-neraler. Det er på
omkring 20 m2/gram.
De ekspansive 1:2 lermineraler er bygget op af fl ager bestående
af et Al-lag og to Si-lag, og der er svage bindinger imellem fl
agerne. Grundet de svage bindinger er lermineralet meget tilbøjelig
til at indbygge andre kationer mellem sine lag og har derfor en
meget høj ionbytningskapacitet. Overfl ade-arealet kan ligeledes
være helt op til 50 gange større end i kaolinit, imponerende 1000
m2/gram.
Ler – et anvendeligt materialeNok er visse lertyper
problematiske i forhold til byggeri, men lermineralers specielle
egenskaber er eftertragtet in-denfor mange andre anvendelsesom-
råder. Ler anvendes i alt fra mursten og keramik til
kosmetikprodukter og tandpasta. Pulveriseret ler er også en af
hovedkomponenterne i boremud-
der, som er en tyktfl ydende væske der er uundværlig i
olieindustrien. Bore-mudder anvendes til at stabilisere de dybe
oliebrønde, så de ikke kollapser.
Al-lagSi-lagAl-lagSi-lagAl-lagSi-lagAl-lagSi-lag
H-binding
H-binding
H-binding
K+
K+
+ + + + + + +
++ + + + + +
H20
H20
Kaolinit Illit Smectit ogvermikulit
1:1 ikke-ekspansiv 1:2 ikke-ekspansiv 1:2 ekspansiv
Lag og flager
17A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
-
en ler, som er afl ejret af en glets-cher under istiden, typisk
være en blanding af ler, silt, sand og grus og kan indeholde helt
ned til 10-20 % ler, men stadig blive betegnet som en lerjord.
Denne type ler kaldes moræneler. Plastisk ler har derimod typisk et
lerindhold højere end 60 % og er helt fri for større partikler som
sand og grus.
Da forskellige lertyper har vidt
forskellige egenskaber, har vi som geoteknikere brug for at
kunne klassifi cere de forskellige lertyper. Det gør vi blandt
andet ved at måle lerets plasticitetsindeks, som er et udtryk for,
hvor meget vand leret kan indeholde og stadig være plas-tisk eller
deformerbart. Plasticitets-indekset bestemmes ved at måle, hvor
meget vand leret indeholder i to forskellige tilstande. Den ene
tilstand er, hvor leret bliver så vådt,
at det netop bliver fl ydende, og den anden tilstand er, hvor
leret bliver netop så tørt, at det ikke længere kan rulles ud til
en tynd pølse på 3 mm i diameter. Forskellen på vand-indholdet ved
disse to konsistens-grænser er lerets plasticitetsindeks.
Moræneler, som rigtig mange dans-kere i Østjylland, Fyn eller
Sjælland vil kunne fi nde, hvis de graver et hul i deres have, har
typisk et plas-
Plastisk ler – et 40 millioner gammelt materialeDet plastiske
ler i Danmark stam-mer fra den geologiske tidsperiode Eocæn for
35-55 mio. år før nu. Dengang var det globale klima markant varmere
end i dag, der var stort set ikke is ved polerne, og det globale
havniveau var fl ere hundre-de meter højere. Det areal, der nu er
Danmark, var dengang dækket af et dybt hav, og på bunden af det-te
hav blev der afl ejret ler, som vi i dag kan fi nde i vores
undergrund. Det er afgørende, at der var tale om et dybhav, for når
korn af sand og grus skylles ud i havet af for eksempel fl oder,
vil disse partikler bundfældes tæt på kysten på grund af deres vægt
og den ringe energi i havvandet. Det er kun de allerfi ne-ste
partikler – nemlig lerpartiker-ne – der kan holde sig fl ydende og
dermed har en chance for at blive ført med havstrømmene ud på dybt
vand.
Dybhavet eksisterede over det dan-ske område i mange millioner
år, og i løbet af årene blev der bundfældet fl ere hundrede meter
tykke lag af mikroskopiske lerpartikler. I samme periode skete der
heftige vulkan-udbrud i Nordatlanten, da Amerika og Europa begyndte
at glide fra hin-anden på grund af pladetektoniske bevægelser.
Asken fra vulkanud-
bruddene endte i havet sammen med lerpartiklerne, og asken blev
med tiden omdannet til lermineralet smectit.
Kortet th viser fordelingen af hav og land, som den kan have set
ud i slutningen af Eocæn for cirka 35-40 mio. år siden. Som det
fremgår, lå ikke kun den centrale del af Dan-mark langt fra kysten,
men også dele af England og landene syd for os samt store dele af
Nordsø-en. Mange af disse steder vil man derfor også kunne fi nde
plastisk ler afl ejret i dette urgamle ocean.
Faktisk forskes der i lande som England, Frankrig og Belgien
også intenst i plastisk lers egenskaber. I London er store dele af
under-grundsbanens tunneller udgravet i
plastisk ler, mens man i Belgien si-den 1980 har haft et
laboratorium i mere end 200 meters dybde i dybt-liggende lag af
plastisk ler. Formålet her er at studere lerets kemiske og
mikrobiologiske egenskaber med henblik på at udvikle og bygge sikre
depoter til radioaktivt affald dybt under jordens overfl ade.
Geologisk kort over Danmarks under-grund. Bæltet med
grå/mørkegrå farver, som strækker sig fra Nordvestjylland over
Østjylland til Fyn/Sjælland og ned mod Femern Bælt er, hvor vi i
dag kan fi nde plastisk ler nær terræn. Modifi ceret efter
Geocenter Danmark 2010.
Illus
trat
ion:
Geo
cent
er D
anm
ark,
201
0
Miocæn
Oligocæn
Eocæn
Midt og Sen Paleocæn
Kalksandskalk
Bryozokalk
Koralkalk
Skrivekridt
Ældre end skrivekridt
Signaturforklaring
Tidlig Paleocæn (Danien)
18 A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
-
Videre læsning:Artiklen er en udvidet version af artiklen
Forskere til kamp mod lumsk jordtype i un-dergrunden oprindelig
bragt på Videnskab.dk
Generel geologisk viden om plastisk ler:Naturen i Danmark –
geologien. Gyldendal.Geoviden nr. 3/2010 og
3/2012:http://geocenter.dk/publikationer/geoviden/
Videnskabelige tekster om smectit og geotek-niske egenskaber af
plastisk ler: Effects of smectite content on the defor-mation
behaviour of clays. Ph.d.-afhandling af Michael Lodahl.
Grønbech et. al. 2014: Geotechnical properti-es of Søvind Marl —
a plastic Eocene clay. Canadian Geotechnical Journal, 2015,
52(4)
ticitetsindeks på mellem 10 og 20 %. De plastiske lertyper, som
vi her har med at gøre, kan derimod have plasticitetsindeks på helt
op til 200 %. Den opmærksomme læser vil måske undre sig over,
hvordan jord kan have vandindhold på over 100 %. Det skyldes, at vi
ingeniører ikke beregner vandindhold i volumenpro-cent, men i
vægtprocent i forhold til den tørre vægt. Hvis en jordprø-ve for
eksempel vejer 100g i våd tilstand og 40g efter at være blevet
tørret, så er vandindholdet w = (100 – 40) / 40 * 100 % = 150
%.
I virkeligheden er det et særligt mineral – lermineralet smectit
– der er grunden til, at det plastiske ler kan optage så meget
vand. Alle lermineraler har en helt speciel op-bygning, som gør, at
de kan udskifte nogle af deres ioner under de rette omstændigheder
– man taler om et lerminerals ionbytningskapacitet. Smectit har den
højeste ionbyt-ningskapacitet af alle lermineraler, og det
plastiske ler i Danmark er meget rigt på smectit.
Problemfyldt undertryk i leretNår man laver en dyb udgravning
over plastisk ler, falder trykket i leret. Når trykket falder,
skabes et undertryk i leret, og som vi kender det fra fysikkens
love, vil trykforskel-le altid forsøges udlignet. Det sker i leret
ved, at vand fra områder med højere tryk bevæger sig i retning af
de lavere tryk. Trykudligningen kan dog tage fl ere årtier, fordi
lerets meget tætte struktur gør, at vandet har svært ved at strømme
igennem leret. Men i takt med, at vandet ligeså langsomt strømmer
til, vil smectit-mineralerne optage vandet i deres struktur. Det
kan få leret til at udvide sig op til 500 %.
Når man bygger ovenpå plastisk ler, er ingeniørerne derfor nødt
til at designe bygningen på en måde, så den kan modstå lerets
udvidelser. I langt de fl este tilfælde betyder det, at man må
hamre lange pæle af stål eller beton ned i jorden, som udover at
bære bygningens vægt også skal modstå de kræfter fra leret, som
forsøger at hæve
bygningen. Desuden kan det være nødvendigt, at lave hulrum under
kældergulvene, så lerets opadrette-de kræfter ikke ødelægger
gulvet.
Målinger skal forbedre beregningsmodellerI et nyt
forskningsprojekt er vi netop nu i gang med at gøre os klogere på
det plastiske lers måde at opføre sig på igennem et omfat-tende
måleprogram på en række byggepladser i Aarhus. Ved hjælp af
avanceret måleudstyr, som er installeret i ned til 75 meters dybde,
kan vi måle de undertryk, der opstår, når det plastiske ler
be-fries for vægt, ligesom vi med stor nøjagtighed kan måle, hvor
meget leret hæver sig.
Vi er dermed i stand til – for første gang – at koble
trykforhold og be-vægelser sammen. Sammenholdt med
laboratorieforsøg og vores øvrige viden om leret gør de nye data os
i stand til at forbedre be-regningsmodellerne. Dermed kan vi mere
præcist forudsige lerets – og dermed bygningens – bevægelser.
Løsningen er måske enkelNår ingeniørerne har beregnet, hvor
meget leret vil udvide sig, skal byggeriet designes, så det kan
modstå lerets udvidelser. Og det fordyrer projektet. Men måske er
problemerne ikke altid så store, som vi tror.
De lange pæle af stål eller beton, som bygninger skal stå på,
bankes typisk ned i jorden med stor kraft af en tonstung maskine.
Det er velkendt, at denne proces skaber meget høje tryk i jorden,
idet pælene fortrænger jorden, så den fl ytter sig væk fra pælene.
Det er nærliggende at forestille sig, at de høje overtryk som
pæleramningen genererer i jorden kan udligne de undertryk som
kælderudgravnin-gen har skabt. Dette er dog aldrig forsøgt
eftervist i praksis. Igen-nem vores målinger håber vi på at kunne
vise, at trykkene udligner hinanden. Hvis det er tilfældet, vil det
være helt ny viden. Det vil betyde, at de hævninger, som vi i dag
beregner os frem til, slet ikke vil ske. Undertrykket er altså
ble-vet udlignet langt tidligere end for-ventet – og endda ved en
proces, som alligevel skal udføres. Hvis vores teori holder stik,
vil vi i frem-tiden ikke skulle være bekymrede for, om vores
bygninger hæver sig på grund af plastisk ler – så læn-ge
bygningerne står på pæle.
Da de tryk og bevægelser vi gerne vil måle, typisk vil udvikle
sig i mere end 50 år, er det sin sag at forsøge at drage endelige
konklusi-oner i løbet af et 3-årigt forsknings-projekt. Derfor skal
målingerne da også fortsætte i mange år frem i tiden, før vi kan
knække koden til lerets opførsel.
Målinger som denne fra Aarhus Havn skal være med til at afdække,
om det plastiske lers kvældetryk udlignes af den måde, bygninger
konstrueres. Foto: Kenny Kataoka Sørensen.
19A K T U E L N A T U R V I D E N S K A B | N R . 6 | 2 0 1
7
